查找隔離柵極驅(qū)動器的峰值電流

出處：網(wǎng)絡(luò)整理發(fā)布于：2024-04-25 17:07:48

　　隔離柵極驅(qū)動器提供電平轉(zhuǎn)換、隔離和柵極驅(qū)動強(qiáng)度，以便操作功率器件。這些柵極驅(qū)動器的隔離特性允許高側(cè)和低側(cè)器件驅(qū)動，并且如果使用合適的器件，還能夠提供安全屏障。圖 1 顯示了一個示例應(yīng)用。 VDD1 和 VDD2 位于不同的接地參考上，并且每個電壓可能不同。在本文中，引腳 1 至引腳 3 將被稱為初級側(cè)，引腳 4 至引腳 6 將被稱為次級側(cè)。柵極驅(qū)動器提供的隔離很容易達(dá)到數(shù)百伏，從而允許更高的系統(tǒng)總線電壓。

　　合適的隔離柵極驅(qū)動器必須能夠重現(xiàn)初級側(cè)上出現(xiàn)的時序，并足夠快地驅(qū)動功率器件的柵極，以使開關(guān)轉(zhuǎn)換可接受。更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換可以降低開關(guān)損耗，因此快速開關(guān)的能力通常是受歡迎的特性。一般來說，在一種開關(guān)技術(shù)中，功率器件能夠處理的功率越大，給柵極驅(qū)動器帶來的負(fù)載就越大。隔離式柵極驅(qū)動器通常用于半橋配置，如圖 2 所示。高側(cè)驅(qū)動器必須能夠在系統(tǒng)接地和 VBUS 電壓之間擺動，同時為其功率器件提供必要的驅(qū)動強(qiáng)度。在駕車。

　　圖 1：ADuM4120 的典型應(yīng)用。

　　圖 2：典型的半橋應(yīng)用。
　　圖 2：典型的半橋應(yīng)用。
　　負(fù)載考慮
　　MOSFET/IGBT 柵極充電或放電所需的時間決定了器件的開關(guān)速度。在實(shí)際使用中，需要添加外部串聯(lián)柵極電阻，以調(diào)整柵極電壓上升/下降時間并與柵極驅(qū)動器 IC 共享功耗。通過將功率器件建模為電容器和具有通過外部串聯(lián)柵極電阻運(yùn)行的 MOSFET 輸出級的柵極驅(qū)動器，我們得到了如圖 3 所示的 RC 電路。該簡化模型中的源峰值電流方程為 IPK_SRC = VDD/ (RDS(ON)_P + REXT)，灌電流峰值為 IPK_SNK = VDD/(RDS(ON)_N + REXT)。對于短路峰值電流測量，REXT 設(shè)置為 0 Ω，但在應(yīng)用中存在外部串聯(lián)電阻。
　　在哪里：
　　RDS(ON)_N 是柵極驅(qū)動器 NMOS 的導(dǎo)通電阻。
　　RDS(ON)_P 是柵極驅(qū)動器 PMOS 的導(dǎo)通電阻。
　　REXT 是外部串聯(lián)柵極電阻。
　　CGATE_EQUIV 是功率器件的等效電容。

　　圖 3：柵極充電和放電的簡化 RC 模型。
　　數(shù)據(jù)表標(biāo)題中的含糊之處峰值電流的預(yù)期用途是以簡潔的方式對柵極驅(qū)動強(qiáng)度進(jìn)行比較，但該值的表示方式因部件和制造商而異。圖 4 顯示了 IV 曲線表示，以及柵極驅(qū)動制造商用來給出峰值電流值的一些常見水平。特定 MO??SFET 的 IV 曲線的飽和水平隨硅工藝和溫度的不同而變化很大，通常變化為典型值的 ±2 倍。
　　在許多數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)表中標(biāo)注的峰值電流是典型的飽和電流，可以通過將輸出短路到相對較大的電容，或通過在很短的時間內(nèi)將驅(qū)動器脈沖到短路來找到該電流。很難找到明確顯示輸出驅(qū)動器在溫度和工藝變化范圍內(nèi)的和 IV 曲線的數(shù)據(jù)表，但如果使用典型飽和數(shù)作為峰值電流值，就會有部分無法源或在實(shí)際應(yīng)用中吸收那么多電流。有些數(shù)據(jù)表標(biāo)注了飽和值，有些數(shù)據(jù)表標(biāo)注了飽和值。描述驅(qū)動器中可用峰值電流的另一種方法是描述仍在 IV 曲線或線性電流的線性區(qū)域中的電流。通過指定此數(shù)字，用戶可以知道應(yīng)用程序中的所有部分將能夠發(fā)送或接收超過此指定值的數(shù)據(jù)。該值是保守的，但用戶可以知道，通過適當(dāng)調(diào)整外部串聯(lián)柵極電阻器的大小，柵極驅(qū)動器輸出 FET 將不會在溫度和工藝變化的情況下處于飽和區(qū)域。

　　峰值電流的生產(chǎn)測試通常非常困難，因?yàn)闇y試環(huán)境中接觸器的電流受到限制。通過設(shè)計和/或特性來保證隔離柵極驅(qū)動器的峰值電流規(guī)格并不罕見。不同的制造商可能會或可能不會提及峰值電流的或值。因此，對于使用哪種峰值電流表達(dá)式來比較各個部件尚未達(dá)成一致。值得注意的是，峰值電流不是恒定電流或平均電流。如果柵極驅(qū)動器輸出在輸出 FET 的線性區(qū)域正常工作，則峰值電流僅在開關(guān)開始時存在。

　
　　圖 4：輸出驅(qū)動器 FET 的 IV 曲線示例。
　　盡管整個溫度和工藝變化的和飽和曲線幾乎從未出現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，但一些隔離柵極驅(qū)動器制造商提供了輸出驅(qū)動器典型 IV 曲線。這可以表示為短路 IV 曲線，也可以使用外部串聯(lián)柵極電阻來表示，以更接近地模擬實(shí)際應(yīng)用的使用情況。當(dāng)查看包含外部串聯(lián)電阻的 IV 曲線時，電壓軸通常在次級側(cè)電壓中指定，這意味著繪制的電壓是內(nèi)部 RDS(ON) 和外部串聯(lián)柵極電阻之間共享的 VDD2 電壓。圖 5 顯示了數(shù)據(jù)表中 ADuM4121 的典型 IV 曲線。應(yīng)該注意的是，ADuM4121 在數(shù)據(jù)表標(biāo)題中提到了 2 A 驅(qū)動能力，但典型的飽和電流超過 7 A。這是因?yàn)樵撎囟〝?shù)據(jù)表在標(biāo)題中使用了峰值電流的保守定義，告訴用戶該器件在所有溫度和工藝變化下可以提供 2 A 的電流。該 IV 曲線也是使用 2 Ω 外部串聯(lián)柵極電阻來獲取的，以模擬實(shí)際應(yīng)用性能。重要的是要確保用戶比較產(chǎn)品的峰值電流定義在各個部件上是相同的，否則比較可能會錯過關(guān)鍵因素。

　　圖 5：ADuM4121 數(shù)據(jù)表 IV 曲線。
　　米勒電容
　　盡管 MOSFET 或 IGBT 大致呈現(xiàn)為電容性負(fù)載，但由于動態(tài)柵漏電容而存在非線性，從而導(dǎo)致米勒平臺區(qū)域的電容在導(dǎo)通（圖 6）和關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間發(fā)生變化。在此米勒平臺期間，需要柵極電容器的充電電流。峰值電流數(shù)不考慮此時的電流值。然而，較高的峰值電流意味著米勒平臺區(qū)域的電流通常會更大。

　　圖 6：顯示米勒平臺的 IGBT 導(dǎo)通轉(zhuǎn)換。
　　功耗：一個主要考慮因素
　　為了對功率器件的柵極進(jìn)行充電和放電，必須消耗能量。如果使用等效電容模型，并且每個開關(guān)周期都會發(fā)生柵極的完全充電和放電，則隔離式和非隔離式柵極驅(qū)動器的柵極開關(guān)動作所消耗的功率為：
　

P D I S S = C E Q × V 2 D D 2 × F S = Q G ? T O T × V D D 2 X F s

磷_{D 我 S S} = C_{乙 問} \times V_{D D 2}^{2} \times F_{S} = 問_{G ? 時間 氧 時間} \times V_{D D 2} X F_{s}

　　在哪里：
　　PDISS 是柵極開關(guān)一個周期內(nèi)消耗的功率。
　　CEQ 是等效柵極電容。
　　VDD 2 是功率器件柵極的總電壓擺幅。
　　QG_TOT 是功率器件的總柵極電荷。fS 是系統(tǒng)的開關(guān)頻率。值得注意的是，等效柵極電容 CEQ 與功率器件數(shù)據(jù)表中的 CISS 不同。
　　它通常比 CISS 大 3 到 5 倍，并且總柵極電荷 QG_TOT 是一個更準(zhǔn)確的數(shù)字。還應(yīng)該注意的是，該方程中沒有看到充電和放電的串聯(lián)電阻，因?yàn)檫@僅與開關(guān)動作中消耗的總功率有關(guān)，而不是與柵極驅(qū)動器 IC 內(nèi)具體消耗的功率有關(guān)。
　　由于隔離柵極驅(qū)動器的隔離特性，標(biāo)準(zhǔn)要求不同的隔離區(qū)域以足夠的爬電距離和間隙距離分開。初級到次級區(qū)域路徑中的任何電流導(dǎo)體都會減去爬電距離和間隙距離，因此，很少看到可用于隔離柵極驅(qū)動器的裸露焊盤或散熱片。這意味著幫助降低集成電路熱阻的主要方法之一不可用，從而導(dǎo)致將功耗轉(zhuǎn)移到隔離式柵極驅(qū)動器封裝之外以允許在給定工作點(diǎn)更高的環(huán)境溫度下工作變得更加重要。
　　由于無法向隔離柵極驅(qū)動器添加散熱片，所用封裝的熱阻大致與引腳數(shù)、內(nèi)部金屬化、引線框架連接和封裝尺寸相關(guān)。對于給定的隔離式柵極驅(qū)動器部件編號，在比較可用部件時，封裝尺寸、引腳數(shù)以及通常的引腳排列將相同，從而導(dǎo)致競爭部件之間的 theta-JA 編號大致相同。
　　柵極驅(qū)動器 IC 內(nèi)的熱耗散是導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)溫升高的原因。公式 1 中計算的功耗是功率器件柵極開啟和關(guān)閉時消耗的總功耗。柵極驅(qū)動器 IC 內(nèi)的功耗在輸出驅(qū)動 FET RDS(ON)_N 和 RDS(ON)_P 的內(nèi)部電阻以及外部串聯(lián)柵極電阻 REXT 之間分配。如果柵極驅(qū)動器主要工作在線性區(qū)，則柵極驅(qū)動器 IC 經(jīng)歷的功耗比率為：
　

12×RDC(ON)?NRDC(ON)?N+REXT+12×RDC(ON)?PRDC(ON)?P+REXT $\frac{1}{2} \times \frac{右_{D C （氧氮） ? 氮}}{右_{D C （氧氮） ? 氮} + 右_{乙 X 時間}} + \frac{1}{2} \times \frac{右_{D C （氧氮） ? 磷}}{右_{D C （氧氮） ? 磷} + 右_{乙 X 時間}}$

　　如果 R DS(ON)_N = R DS(ON)_P = R DS(ON)，則公式 2 可簡化為：
　　\frac{R_{DC(ON)}}{R_{DC(ON)}+R_{EXT}
　　柵極驅(qū)動器 IC 因功率器件開關(guān)而經(jīng)歷的總功率變?yōu)楣?1 乘以公式 3：

　R DC (開) R DC (開) + R EXT×

　　從公式 4 可以看出，RDS(ON) 越小，隔離柵極驅(qū)動器內(nèi)發(fā)生的功耗就越小。如果要滿足所需的上升/下降時間，則應(yīng)保留用于功率器件柵極充電和放電的 RC 常數(shù)。RC常數(shù)中的電阻是內(nèi)部RDS(ON)和外部串聯(lián)柵極電阻的串聯(lián)組合。換句話說，如果在應(yīng)用中使用兩個競爭驅(qū)動器以具有相同的上升和下降速度，則具有較低 RDS(ON) 的驅(qū)動器允許使用更大的外部串聯(lián)柵極電阻，同時保持總串聯(lián)電阻相同，這意味著功耗更低柵極驅(qū)動器 IC 本身的耗散。
　　如果嚴(yán)格比較數(shù)據(jù)表中的值，看起來競爭對手 2 應(yīng)提供強(qiáng)的柵極驅(qū)動，因此對于給定負(fù)載而言，具有快的上升和下降時間。為了簡化分析，負(fù)載使用了分立陶瓷電容器，因此波形中不存在米勒平臺。此外，僅使用雙輸出驅(qū)動器的一個輸出。

　　對于個測試條件，每個驅(qū)動器通過圖 3 所示的配置中的 0.5 Ω 外部串聯(lián)柵極電阻加載 100 nF 電容器。在驅(qū)動器上執(zhí)行單次開啟和關(guān)閉，以保持驅(qū)動器內(nèi)的功耗低的。該測試非常類似于峰值短路測試。結(jié)果如圖8和圖9所示。

　　
　　圖 8：開啟測試。100 nF，0.5 Ω REXT。(a) 電壓與時間的關(guān)系。(b) 當(dāng)前與時間。

　　圖 9：關(guān)斷測試。100 nF，0.5 Ω REXT。(a) 電壓與時間。(b) 當(dāng)前與時間。
　　圖8顯示不同驅(qū)動器的開啟速度存在較大差異。令人驚訝的是，市售峰值電流的驅(qū)動器的上升時間慢。電流波形顯示驅(qū)動器提供的電流均超過承諾的電流值，但競爭對手 2 無法維持高電流。總上升時間是電流積分的函數(shù)。從圖 9 所示的下降時間來看，所有三個部件的性能都相對相似。雖然各產(chǎn)品的峰值電流相似，但競爭對手 2 的持續(xù)電流?？傮w而言，這三個部件在關(guān)斷測試中表現(xiàn)相似。從這個測試中，我們可以看到，使用數(shù)據(jù)表峰值電流數(shù)的數(shù)據(jù)表部分表現(xiàn)出比其他部分更低的驅(qū)動器強(qiáng)度。
　　第二個測試條件是調(diào)整所有三個驅(qū)動器，使上升和下降時間相似，然后以恒定的開關(guān)頻率操作部件以評估熱性能。如圖 8 所示，ADuM4221 具有快的上升時間，允許使用更大的外部串聯(lián)柵極電阻以匹配上升時間。

　　圖 10：所有三個驅(qū)動器的調(diào)整上升/下降。通道 1 = 輸入，通道 2 = ADuM4221，通道 3 = 競爭對手 1，通道 4 = 競爭對手 2。
　　其他司機(jī)的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與采用 0.91 Ω 外部串聯(lián)柵極電阻的競爭對手 1 和使用 0.97 Ω 外部串聯(lián)柵極電阻進(jìn)行開啟的競爭對手 2 相比，1.87 Ω 外部串聯(lián)柵極電阻使 ADuM4221 具有相似的上升和下降時間。ADuM4221 的關(guān)斷電阻調(diào)整為 0.97 Ω。輸入和輸出波形如圖10所示。
　　隨著上升時間和下降時間調(diào)整為相等，積分

　　圖 11：ADuM4221 熱圖像。

　　圖 12：競爭對手 1 熱圖像。

　　圖 13：競爭對手 2 熱圖像。
　　電流波形具有可比性，功率器件中的開關(guān)損耗在應(yīng)用中也具有可比性。通過使用更大的外部串聯(lián)柵極電阻，可以在隔離柵極驅(qū)動器外部分擔(dān)更多的熱負(fù)載。圖 11、圖 12 和圖 13 顯示了三個驅(qū)動器在相同環(huán)境溫度下運(yùn)行、開關(guān)頻率為 100 kHz、次級側(cè)電壓為 15 V、負(fù)載電容為 100 nF 時的熱圖像。
　　熱像儀的標(biāo)線是隔離柵極驅(qū)動器的輸出區(qū)域。其中每個右側(cè)的亮點(diǎn)是外部串聯(lián)柵極電阻。圖 11 顯示外部串聯(lián)柵極電阻比其他兩個熱圖像中的溫度更高。這是預(yù)期的操作并且是可取的。所有三個測試都在相同的開關(guān)頻率和相同的負(fù)載電容下運(yùn)行，因此總功耗相同。外部電阻器消耗的功率越多，柵極驅(qū)動器 IC 本身消耗的功率就越少。
　　競爭產(chǎn)品 1 的 IC 表面溫度比 ADuM4221 高 35.3°C，這表明競爭產(chǎn)品由于 RDS(ON) 較高而存在熱限制。同樣，與 ADuM4221 相比，競爭對手 2 的功耗導(dǎo)致表面溫度升高 18.9°C，從而導(dǎo)致相同工作條件下柵極驅(qū)動器發(fā)熱更多。這表明，在選擇柵極驅(qū)動器時，考慮較低內(nèi)阻帶來的熱性能非常重要。在較高環(huán)境溫度下運(yùn)行時，溫度升高非常重要。表 2 列出了測試結(jié)果。REXT_ON（Ω）。
　　R EXT_ON (Ω)R EXT_ON (Ω)IC 溫度 (°C)
　　ADuM42211.870.97104.6
　　競爭對手10.910.91139.9
　　競爭對手20.970.97123.5
　　表 2：熱性能比較：溫度越低越好。
　　結(jié)論
　　由于源電流和灌電流額定值的方式明顯不同，因此根據(jù)粗略瀏覽數(shù)據(jù)表標(biāo)題形成有關(guān)不同部件驅(qū)動強(qiáng)度的意見可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。峰值電流定義缺乏透明度可能會過度銷售或低估某個零件，并在客戶端對其進(jìn)行徹底評估之前極大地影響其被選用于特定應(yīng)用的機(jī)會。確保以同類方式比較數(shù)據(jù)表中提到的峰值電流對于公平比較至關(guān)重要。評估隔離式柵極驅(qū)動器時，應(yīng)考慮熱余量和低 RDS(ON) 的重要性。盡管兩個柵極驅(qū)動器可能能夠調(diào)諧到相同的上升和下降值，

關(guān)鍵詞：柵極驅(qū)動器

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